Teräksen valmistus suoralla elektrolyysillä

Abstract

Teräs on nyky-yhteiskunnan tärkein käyttömetalli, jonka kysyntä on globaalin kehityksen vuoksi jatkuvassa kasvussa. Terästeollisuus on merkittävä kasvihuonekaasujen tuottaja, sillä maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä 7–11 prosenttia aiheutuu raudan ja teräksen tuotannosta. Terästeollisuus on suuren haasteen edessä, sillä samaan aikaan, kun hiilidioksidipäästöjä on laskettava merkittävästi, on pystyttävä vastaamaan koko ajan kasvavaan teräksen kysyntään. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on tutustua tämänhetkisen teräksen tuotannon ympäristövaikutuksiin sekä tutkimusvaiheessa olevaan lähes hiilidioksidipäästöttömään teräksen valmistustekniikkaan, jota kutsutaan suoraksi elektrolyysiksi. Lisäksi on tarkoitus selvittää, onko suoralla elektrolyysillä potentiaalia toimia teollisessa mittakaavassa.

Työ jakaantuu kahteen osaan. Aluksi käsitellään tällä hetkellä käytössä olevia teräksen valmistusprosesseja sekä tutustutaan prosesseista aiheutuviin ympäristövaikutuksiin. Tämän jälkeen selvitetään, miten terästä voidaan valmistaa suoraan elektrolyysiin perustuvalla prosessilla. Lisäksi verrataan suoran elektrolyysin ympäristövaikutuksia tällä hetkellä käytössä oleviin teräksen valmistusprosesseihin ja tutustutaan suoran elektrolyysin ongelmakohtiin sekä kaupallistamisen haasteisiin.

Tällä hetkellä käytössä olevista teräksen valmistusprosesseista yleisimmät ovat masuuni-happikonvertteriprosessi ja valokaariuuniprosessi. Masuuni-happikonvertteriprosessilla terästä valmistetaan rautamalmista. Sen sijaan valokaariuuniprosessia hyödynnetään pääosin kierrätysteräksen uudelleen prosessointiin. Masuuni-happikonvertteriprosessin suurin ongelma on sen aiheuttamien hiilidioksidipäästöjen määrä. Hiilidioksidipäästöjen lisäksi se tuottaa myös huomattavan määrän muita ilmakehälle haitallisia päästöjä. Valokaariuuniprosessi tuottaa vähemmän hiilidioksidipäästöjä, mutta se ei voi korvata masuuni-happikonvertteriprosessia, sillä teräksen kysynnän kasvaessa ainoastaan kierrätysteräksen uudelleenkäyttö ei ole mahdollista.

Suorassa elektrolyysissä rautamalmin sisältämät raudan oksidit pelkistetään sähköenergiaan perustuvan elektrolyysin avulla suoraan raudaksi. Suoraa elektrolyysiä hyödyntävät prosessit tuottavat huomattavasti vähemmän hiilidioksidipäästöjä kuin tällä hetkellä käytössä olevat teräksen valmistusprosessit, sillä ainoana elektrolyysin sivutuotteena muodostuu happea. Suoraa elektrolyysiä hyödynnetään kahdessa erilaisessa prosessissa, joiden suurin ero aiheutuu prosesseissa käytettävästä lämpötilasta. Tällä hetkellä suoraa elektrolyysiä hyödyntävät prosessit ovat vielä tutkimusvaiheessa, ja prosesseihin liittyy useita ongelmakohtia, jotka vaativat vielä kehitystä ennen kuin prosessien teollisen mittakaavan käyttöönotto on mahdollista. Ongelmakohdat liittyvät muun muassa elektrolyysin saantoon, raudan talteenottoon, prosessilämpötiloihin ja prosessien korkeaan sähkönkulutukseen.